雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、控制系統(tǒng)仿真課程大作業(yè)題目：雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院系名稱：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：評(píng)語：成績(jī)：任課教師：時(shí)間：摘要本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過程特性設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，采用MATLAB仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的串級(jí)PID控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計(jì)

2、并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：液位；模型；PID控制；MATLAB仿真；計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)16目錄摘要21概述41.1過程控制介紹41.2液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹41.3MATLAB軟件介紹41.4MCGS組態(tài)軟件介紹52被控對(duì)象建模52.1水箱模型分析52.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型63系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真103.1PID控制原理103.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)113.2控制系統(tǒng)仿真124建立儀表和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)16結(jié)論17參考文獻(xiàn)18161概述1.1過程控制介紹過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對(duì)象﹑檢測(cè)與執(zhí)行裝置外）。1．過程計(jì)

3、算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：（1）由中央處理器﹑時(shí)鐘電路﹑內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。（2）包括各種控制開關(guān)﹑數(shù)字鍵﹑功能鍵﹑指示燈﹑聲訊器和數(shù)字顯示器等的（3）通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)﹑記錄儀﹑圖形顯示器﹑閃存等，它們用來顯示﹑存儲(chǔ)﹑打印﹑記錄各種數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。2．過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計(jì)算機(jī)本身資源，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。（2）應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集﹑濾波程序﹑控制量計(jì)算程序﹑生產(chǎn)過程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟

4、件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能﹑精度和效率。1.2液位串級(jí)控制系統(tǒng)介紹在液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)的串級(jí)PID控制的方法，利用智能調(diào)節(jié)儀表﹑數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對(duì)它們的主要內(nèi)容進(jìn)行說明。1.3MATLAB軟件介紹MATLAB系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成：16(1)MATALB語言體系：MATLAB是高層次的矩陣／數(shù)組語言．具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和

5、算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。(2)MATLAB工作環(huán)境：這是對(duì)MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱．包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)：這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。(4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)：這是對(duì)MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等

6、高層次數(shù)學(xué)算法。(5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API)：這是MATLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。1.4MCGS組態(tài)軟件介紹MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)部分組成。利用MCGS軟件組建工程的過程簡(jiǎn)介：工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析；工程立項(xiàng)搭建框架；設(shè)計(jì)菜單基本體系；制作動(dòng)畫顯示畫面；編寫控制流程程序；完善菜單按鈕功能；編寫程序調(diào)試工程；連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；工程完工綜合測(cè)試。2被控對(duì)象建模在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制

7、好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對(duì)象，必須通過測(cè)定和計(jì)算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上下兩個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水與儲(chǔ)水。上水箱尺寸為：;下水箱尺寸為：，每個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析16Q112Q2Ah圖2.1液位被控過程簡(jiǎn)明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通